tcc_gerador de sinal

UNIVERSIDADE TECNOLGICA FEDERAL DO PARAN DEPARTAMENTO DE ELETROTCNICA

CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAO INDUSTRIAL

MARCELO FERREIRA DE ARAJO

GERADOR DE SINAIS MICROCONTROLADO

TRABALHO DE CONCLUSO DE CURSO

CORNLIO PROCPIO 2013


GERADOR DE SINAIS MICROCONTROLADO Trabalho de Concluso de Curso

apresentada como requisito parcial obteno do ttulo de Tecnlogo em Automao Industrial, Departamento de Eletrotcnica da Universidade Tecnolgica Federal do Paran.

Orientador: Prof. Rodrigo Rodrigues Sumar


GERADOR DE SINAIS MICROCONROLADO

Trabalho de concluso de curso apresentado s 14:30 hs do dia 20/12/2013 como requisito parcial para a obteno do ttulo de Tecnlogo em Automao Industrial da Universidade Tecnolgica Federal do Paran. O candidato foi arguido pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Aps deliberao, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.

___________________________________

Dr. Rodrigo Rodrigues Sumar Professor Orientador

UTFPR/ Campus Cornlio Procpio

___________________________________

Paulo Rogrio Scalassara Professor Convidado


___________________________________

Msc. Wagner Fontes Godoy Professor Convidado


A Folha de Aprovao assinada encontra-se na Coordenao do Curso.

Dedico este trabalho ao meu eterno amigo Leandro Sanches Mouro

que sempre transformava as dificuldades em alegria.

AGRADECIMENTOS

Agradeo primeiramente a Deus pela oportunidade, sem ele seria impossvel at uma simples queda de uma folha de uma rvore.

Agradeo minha famlia que sempre confiou em mim e serviu de inspirao nas dificuldades.

Agradeo tambm os professores Bruno Augusto Anglico quem me proporcionou a oportunidade de desenvolver o assunto em questo e o professor Rodrigo Rodrigues Sumar quem assumiu a orientao no trabalho apoiou na concluso.

E por fim agradeo meus amigos Sebastio Pedro do Nascimento Jnior, Daniel Silva Cocco e Luis Fernando Rosrio que deram suas contribuies tcnicas para concluso do trabalho.

RESUMO

ARAJO, Marcelo Ferreira. Gerador de Sinais Microcontrolado. 2013. 38 pginas. Trabalho de Concluso de Curso de Tecnologia em Automao Industrial - Universidade Tecnolgica Federal do Paran. Cornlio Procpio, 2013.

Esse trabalho mostra o desenvolvimento de um gerador de ondas eltricas nos formatos: senoidal, quadrada e dente de serra com frequncia configurvel a partir de um CI gerador especfico, e uma lgica de controle elaborada em linguagem de programao aplicada em microcontrolador. Todo o processo foi desenvolvido por ferramenta computacional, possibilitando a aproximao do modelo virtual ao projeto final. Uma vez escolhida a melhor configurao dos componentes, foi possvel, atravs de outra ferramenta computacional, a criao do hardware do projeto.

Palavras-chave: Microcontrolador. Simulao. Frequncia. Gerador de Sinais. Linguagem C

ABSTRACT

ARAJO, Marcelo Ferreira. Microcontrolled Signal Generator. 2013. 32 pages. Trabalho de Concluso de Curso de Tecnologia em Automao Industrial - Federal Technology University - Paran. Cornlio Procpio, 2013.

The present study shows the development project of a sinusoidal, square, and sawtooth electric waveform generator, with configurable frequency from a specific generator IC, and a control logic elaborated in a microcontroller applied programming language. The entire process was developed by a computational tool, allowing closeness of the virtual model with the final project. Once the best component configuration was chosen, it was possible, through another computational tool, to create the project's hardware.

Keywords: Microcontroller. Simulation. Frequency. Signal Generator. C Language

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Onda Senoidal ........................................................................................... 12

Figura 2: Onda Quadrada ......................................................................................... 13 Figura 3: Onda Triangular ......................................................................................... 14

Figura 4: Simetria das Ondas .................................................................................... 15

Figura 5: CI ICL 8038 ................................................................................................ 16

Figura 6: Modelo de Configurao ............................................................................ 18

Figura 7: Simulao Gerador de Ondas .................................................................... 19

Figura 8: Ajuste de Simetria da Onda ....................................................................... 20 Figura 9: PIC 12F675 ................................................................................................ 22

Figura 10: PIC 16F628A ............................................................................................ 23

Figura 11: PIC 18F452 .............................................................................................. 23

Figura 12: Diagrama Funcional PIC 16F877A ........................................................... 25

Figura 13: Pinagem PIC 16F877A ............................................................................. 26

Figura 14: Seleo da Forma de Onda ..................................................................... 28

Figura 15: Onda PWM ............................................................................................... 30

Figura 16 Dislay Cristal Lquido (lcd) ......................................................................... 31 Figura 17- Simulao da Seleo e Indicao de Frequncia .................................. 34

Figura 18: Fluxograma de Programao ................................................................... 35

Figura 19 - Simulao da Gerao e Indicao da Frequncia................................. 36

Figura 20- Desenho da Placa eletrnica ................................................................... 37

Figura 21- Ilustrao 3D da Placa eletrnica ............................................................ 38

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Identificao dos pinos ICL 8038 .............................................................. 17

Tabela 2: Identificao dos pinos PIC 16F877A ........................................................ 27

Tabela 3: Tabela verdade seleo de forma de ondas ............................................. 28

Tabela 4: Tabela verdade para seleo de escalas .................................................. 29

Tabela 5: Identificao dos pino LM 041L ................................................................. 32

SUMRIO

1 INTRODUO ........................................................................................11 2 PROJETO DO GERADOR DE FREQUNCIA .......................................14 2.1 GERAO DE ONDAS ........................................................................14 2.11 Icl 8038 ...............................................................................................14

2.12 Dimensionamento dos Resistores Ra e Rb ........................................17

2.2 MICROCONTROLADORES .................................................................20

2.23 Pic 16F877A .......................................................................................24

2.3 SELEO DA FORMA DE ONDA DESEJADA ....................................28 2.4 SELEO DA ESCALA DE FREQUNCIAS .......................................29 2.5 MEDIO DA FREQUNCIA ...............................................................29 2.6 INDICAO DA FREQUNCIA ...........................................................31 2.7 PROGRAMAO DO MICROCONTROLADOR ..................................33 2.8 COMPILADOR ......................................................................................33

2.9 SIMULADOR DO HARDWARE ............................................................35

3 CONCLUSO..........................................................................................39 3.1 DIFICULDADES ENCONTRADAS .......................................................39

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ..........................................................41

APNDICES ...............................................................................................43 APNDICE A PROGRAMA DO PROJETO .............................................43 APNDICE B LISTA DOS COMPONENTES ..........................................49

11

1 INTRODUO Nos circuitos eletrnicos modernos existe uma grande necessidade de

aperfeioamento nas tcnicas de anlise e ensaio de projetos antes de partir para produo em escala industrial. Assim para aplicar os conhecimentos desenvolvidos em carcter terico necessrio que o projeto seja simulado em laboratrio, permitindo assim que sejam acompanhadas todas as variveis no observadas no desenvolvimento terico do projeto, tornando assim as condies de estudo mais prximas da aplicao.

Um dos equipamentos mais importantes de um laboratrio de eletrnica o gerador de sinais, onde possvel a gerao de ondas eltricas nos formatos convencionais utilizados nos projetos de engenharia, possibilitando o estudo do comportamento de qualquer circuito eletrnicos com sinais de entrada totalmente configurveis, tais como ondas senoidais, quadradas, triangulares, entre outras.

Ondas senoidais:

So ondas que possuem um nico tom de frequncia e amplitude que varia de acordo com a funo seno. Esse formato de onda compe o sistema eltrico mundial, onde a tenso CA (abreviao do ingls alternate courrent ) gerada nas usinas hidreltricas em todo mundo. (BOYLESTAD, 2004). O formato senoidal possui duas caractersticas importantes para seu estudo:

Amplitude (A): Valor mximo de uma funo medida a partir do zero

Perodo (P): intervalo de repeties sucessivas de forma de onda. (BOYLESTAD, 2004). O numero de ciclos por perodo determina a varivel de frequncia, que determinada pela unidade de Hertz, nome dado em homenagem ao fsico alemo Heinrich Rudolph Hertz.

12

Figura 1: Onda Senoidal

Fonte: Boylestad (2004, P. 378)

O equacionamento matemtico da onda senoidal feito atravs da snteses das variveis da mxima amplitude de pico obtido no eixo vertical e seno do ngulo do vetor girante na unidade do eixo horizontal denominado t.

AM = Sent (1)

Em sistemas de comunicao sem fio, quer seja analgico ou digital, o sinal em banda base modula um sinal senoidal, denominado portadora, para ento ser transmitido. Seu estudo aplicado em anlise da resposta em frequncia de filtros que so aplicados em sistemas eltricos para eliminar frequncias indesejadas ,tais como rudos oriundos de equipamentos no lineares. Em circuitos de telecomunicaes os filtros so empregados para tratar e equalizar as faixas de frequncias desejadas aumentando assim a capacidade de transmisso de dados bem como a sua qualidade. Em circuitos RLC, so aplicadas em anlise de fator de potncia, entre outros. (LATHI, 2007).

Ondas quadradas so tais que variam bruscamente nas passagens entre os valores constantes mnimo e mximo (borda de subida) e mximo e mnimo (borda de descida). Sinais quadrados de 0 V a 5 V so particularmente importantes em

13

sistemas digitais, tendo seu uso caracterizado principalmente em bases de tempo de registradores, contadores e sistemas microcontrolados (SOUZA, 2001).

Lgica combinatria e lgica sequencial de sistemas digitais baseada em ondas quadradas (TOCCI, 2007). Numa viso prtica fazem parte do cotidiano de todos, estando presentes em equipamentos eletrnicos que vo desde uma simples calculadora at dispositivos industriais que integram o sistema de gerenciamento corporativo, atuando desde o cho de fbrica com instrumentos de controle de processo at os computadores gerenciais.

Figura 2: Onda Quadrada

Fonte: Tocci (2007, P. 8)

Sinais triangulares possuem variao linear na amplitude, cuja inclinao varia de acordo com a frequncia. Ondas dente de serra so similares s triangulares no intervalo de subida e semelhante s quadradas no intervalo de descida. Ambos os sinais, triangular e dente de serra, so utilizados para gerar sinais retangulares modulados por largura de pulso (PWM, pulse width modulation). ( LIMA, 1996)

14

Figura 3: Onda Triangular

Fonte: Lima (1996, P.6)

2 PROJETO DO GERADOR DE FREQUNCIA Para o melhor desenvolvimento do projeto do gerador de frequncia, haver

uma diviso do circuito em duas etapas: a primeira que ser dedicada gerao e amplificao das ondas em questo e a segunda etapa na qual o sinal gerado ser indicado via display de lcd. A seleo das formas de onda e da escala desejada sero feitas atravs de botes comandados por intermdio do microcontrolador PIC 16F877A porm em primeiro momento ser executado via chave seletora normal.

2.1 GERAO DE ONDAS

Hoje em dia h uma gama de circuitos integrados que gera facilmente ondas para as mais diversas aplicaes. Para o projeto ser utilizado um circuito integrado monoltico, o qual permite obter as formas de onda mencionadas acima com preciso.

2.11 Icl 8038

O ICL 8038 produzido pela Intersil Corporation e gera formas de onda senoidal, quadrada, triangular e dente de serra num range que vai de 0,001Hz a 300KHz controlado externamente a partir de resistores e capacitores, operando com diversas sadas tornando possvel o trabalho simultneo das ondas em questo. O

15

circuito integrado ICL 8038 opera com uma tenso de entrada que pode ser de 10Vcc a 30Vcc e uma corrente mxima de entrada e sada de 25 miliamperes que so conectados nos pinos 6 (+Vcc) e no pino 11(-Vcc ou Gnd).

Os pinos 4 e 5 so utilizados para ajuste de simetria da onda por intermdio de resistores externos(RA conectado ao pino 4) que controla a parte crescente das formas de onda senoidal e triangular e tambm o 1 estgio da onda quadrada. Conectado ao pino 5 tem os outra resistncia externa (RB) que controla respectivamente a forma decrescente das ondas senoidal e triangular e o segundo estgio da onda quadrada. Mantendo esse ajuste em 50% do valor, ou seja RA=RB obtm o formato ideal para as formas de onda.

Figura 4: Simetria das Ondas

Fonte: datasheet ICL 8038

Os pinos 7 e 8 esto dedicados a entrada de varredura e polarizao de FM. Os pinos 1 e 12 tem a funo de ajuste na amplitude da onda senoidal, acoplando um potencimetro nessa entrada possvel a variao da mesma.

O pino 10 responsvel pela variao da frequncia de sada, atravs da associao entre capacitores e resistores possvel atuar dentro do range de aplicao do componente que pode chegar at 300KHz.

16

As sadas do circuito esto enderaadas nos pinos 2 (onda senoidal), pino 3 (onda triangular), ambas com tenso de sada sendo a metade da tenso de alimentao, enquanto que a forma de onda quadrada ir formecer uma tenso de sada com amplitude igual a de entrada quando estiver no ciclo positivo alocada no pino 9. Os pinos 13 e 14 no esto em uso.

Figura 5: CI ICL 8038


A alocao e funo dos pinos do ICL 8038 esto descritos na tabela abaixo:

17

Tabela 1: Identificao dos pinos ICL 8038


2.12 Dimensionamento dos Resistores Ra e Rb

Para o equacionamento das variveis necessrias para a o ajuste das escalas de frequncias foi utilizado um modelo de configurao sugerido pelo fabricante conforme descrito abaixo:

PINO DESCRIO1 AJUSTE DA ONDA SENOIDAL2 SADA DA ONDA SENOIDAL3 SADA DA ONDA TRIANGULAR456 ALIMENTAO POSITIVA 7 SINTONIA FM8 ENTRADA DE VARREDURA FM9 SADA DE ONDA QUADRADA

10 CAPACITOR DE TEMPO11 ALIMENTAAO NEGATIVA OU TERRA12 AJUSTE DE ONDA SENOIDAL13 NO CONECTADO14 NO CONECTADO

IDENTIFICAO DOS PINOS ICL 8038

AJUSTE DO CICLO DA FREQUENCIA (SIMETRIA DA ONDA)

18

Figura 6: Modelo de Configurao


necessrio o dimensionamento dos resistores de ciclo de trabalho (duty cycle), pois como possvel o ajuste da simetria da onda, de suma importncia o dimensionamento correto, que dado pela equao:

Tempo 1 ( referente ao primeiro semiciclo da onda)

T1= C x V = .

=

.

.

.

,.

=

.

, (2)

Tempo 2 (referente ao segundo semiciclo da onda)

=.

=

.

.

.,.

,

=..

, (3)

A Frequncia dada pela equao:

F =

=

.

,

(4)

Na igualdade das resistncias Ra=Rb=R, ou seja, com ciclos simtricos podemos simplificar o clculo pela equao:

F =,

. (5)

19

Onde F a frequncia desejada R o valor da resistncia Ra=Rb=R e C o valor da capacitncia de marcao de tempo.

Aplicando ao valores desejados de frequncia de trabalho que vo de 1Hz a 4KHz chega aos valores de capacitncia de C1= 1F; C2=160nF; C3 = 25nF e o valor para o resistor de ajuste da frequncia R=2,5K. Aplicando ao circuito sugerido no datasheet do fabricante obtm o modelo bsico de gerador de frequncia abaixo.

Figura 7: Simulao Gerador de Ondas

Fonte: Autoria Prpria (Simulador Proteus)

Alimentando o gerador de funes ICL 8038 com uma tenso contnua de 24 volts obtm uma onda de sada nos pinos 9 (sada quadrada), pino 2 ( sada senoidal) e pino 3 (sada triangular), sendo selecionas por intermdio da chave seletora CH 2 que transmite o sinal de sada do gerador para o amplificador operacional LM 741, que tem a funo de equalizar a amplitude da onda num range

20

de 1 a 5 volts. A frequncia de sada equalizada a partir da variao da tenso no pino 8 ( SWEEP), que configurado para trabalhar no range escolhido a partir do chaveamento da capacitncia de entrada no pino 10.

Esse chaveamento que na primeira fase do projeto ser feito por intermdio de uma chave de 3 posies. Na posio 1 colocar no circuito o capacitor 0,1 F referente escala de 1 a 100Hz, a posio 2 colocar no circuito o capacitor 2 160nF referente escala de 100 a 500Hz e o ltimo colocar no circuito o capacitor 3 25nF referente escala de 500 a 4KHz.

Na concluso do projeto o acionamento do chaveamento dos capacitores ser feito atravs de um multiplexador de sinais UTC 4052 no qual ao comando de um nico boto a seleo da escala ser efetuada, utilizando uma lgica em linguagem C executada no microcontrolador. A simetria da onda ser ajustada pelo potencimetro POT 2, fazendo com que haja uma diferena de resistncia entre os pinos 4 e 5 do gerador, essa diferena permitir o ajuste de cada semi-ciclo da onda de forma independente podendo ser calculada a partir das equaes 1 e 2 mencionadas anteriormente fornecendo uma onda no formato ilustrado abaixo:

Figura 8: Ajuste de Simetria da Onda Fonte: Autoria Prpria (Simulador Proteus)

2.2 MICROCONTROLADORES

Aps gerada a onda, regulada para uma amplitude mxima de 5 volts, necessrio implementao do sistema de controle de seleo das formas de onda, escalas de frequncias de estudo e a indicao dessas variveis. O dispositivo

21

responsvel por todas essas aes ser o microcontrolador, especificamente o PIC 16F877A da Microchip. Para uma melhor compreenso do funcionamento dos microcontroladores segue a evoluo deste componente.

2.21 Histrico dos Microcontroladores

Em 1969 uma empresa japonesa chamada Busicom criou um chip dedicado a um projeto para uma calculadora, em 1971 a Intel Corporation compra a licena da empresa japonesa e lana o primeiro microprocessador da histria de quatro bits com capacidade para 6000 operaes por segundo, e posteriormente lanando processadores de 8 bits. Na mesma poca apareceram outros fabricantes de microprocessadores criando uma corrida tecnolgica. Empresas como a Motorola Corporation e a Mos Technology comearam a aparecer no mercado, sendo a segunda a responsvel pelo lanamento, em 1975, do seu modelo de microprocessador 6502, que acabou se tornando o mais vendido na poca devido ao seu custo.

Outra empresa fundada a partir de um colaborador da Intel chamada Zilog criou um modelo de processador que passou a ser padro de microprocessadores no mercado, chamado Z80. Os primeiros microcontroladores passaram a ser e implementados a partir dos microprocessadores tais como 8080 da Intel, com isso surgiram varias empresas que fabricam seus modelos de microcontroladores: Atmel, Dallas, Fairchild, Microchip.

2.22 Microchip

Fundada em 1989, a empresa Microchip Tecnology Inc. possui sua matriz na cidade de Chandler no estado do Arizona, Estados Unidos, que a responsvel pela criao de microcontroladores da famlia PIC alm de outros componentes para as mais diversas solues em circuitos integrados (CIs.).

Os microcontroladores PIC apresentam uma arquitetura Harvard de estruturao interna, ou seja, conta com 2 barramentos internos, um dedicado a informaes de dados de 8 bits e o outro dedicado s informaes das instrues podendo ser de 12, 14 ou 16 bits. (SOUZA,2010). Tal configurao permite o processamento e a execuo de instrues selecionadas enquanto a memria interna est sendo acessada, gerando uma economia de tempo e de memria,

22

fazendo com que esse processador tenha melhor desempenho que os microcontroladores com arquitetura tradicional Von-Neumam.

Outro ponto que faz com que o microcontrolador PIC tenha um melhor desempenho a sua filosofia de construo do tipo RISC (Reduced Instruction Set Computer), set de instrues reduzido. Tendo em vista que a arquitetura CISC torna o hardware mais complexo que o software devido quantidade e complexidade das instrues a serem executadas. Desta forma, selecionando apenas as instrues que so utilizadas com mais frequncia e que possui um grau de complexidade baixo, foi possvel enxugar a programao tornando assim um sistema mais funcional.

Os microcontroladores PICs possuem cerca de 35 instrues, o numero correto varia de acordo com o microcontrolador. (SOUZA,2007). A linha de microcontroladores PIC vem dispostas em 3 famlias bsicas.

LINHA PIC12XX: opo de oscilador externo; 6 pino de I/O, 1 mdulo comparador analgico; 1 mdulo conversor analgico digital; timer 0 e timer 1.

Figura 9: PIC 12F675

Fonte:

LINHA PIC PIC16XX: oscilador de fbrica de 4MHz; apoio para osciladores externos de cristal ou ressonadores; 16 pinos de I/O; 2

23

comparadores analgicos; interrupes Timer0, timer1, timer 2; mdulo Capture, Compare e PWM (CCP); enderevel universal USART/SCI.

Figura 10: PIC 16F628A

Fonte: < http://mac.br.com/sl85/produto/Microcontrolador-PIC16F628A.html>

LINHA PIC18XX: bloco oscilador interno selecionvel pelo usurio de 31KHz a 8 MHz; 24 pinos de I/O; dissipador de alta corrente; 4 mdulos temporizadores Timer0, Timer1, Timer2 e Timer3; at 2 mdulos CCP; 2 comparadores analgicos e comunicao mestre escravo.

Figura 11: PIC 18F452

Fonte:

24

2.23 Pic 16F877A

O Microcontrolador PIC16F877A um dispositivo eletrnico capaz de manipular outros elementos perifricos (leds, displays de sete segmentos, displays de lcd, rels) a partir de outros dispositivos externos de sinais ( botes, sensores diversos) atravs de uma programao pr-estabelecida por intermdio de linguagens de programao de baixo nvel (assembly) ou linguagem de alto nvel (C, C++). Toda essa gama de recursos est dentro de uma pastilha de silcio encapsulada. Internamente o PIC possui uma estrutura de memrias volteis e no volteis para manuteno do programa, uma unidade inteligente de comando e uma srie de elementos perifricos como: entradas e sadas digitais, comparadores analgicos, timers, contadores, elementos de comunicao serial, conversores digitais/analgicos entre outros.

Tais recursos faz do PIC16F877A um dos equipamentos mais utilizados na engenharia eletrnica atual. O diagrama funcional abaixo mostra a estruturao interna do microcontrolador PIC16F877A.

25

Figura 12: Diagrama Funcional PIC 16F877A

Fonte:

26

No centro do diagrama de blocos temos a ULA (Unidade Logica Aritmtica) responsvel pelas operaes aritmticas (multiplicao, diviso, incremento, decremento) e operaes lgicas envolvendo (AND, OR,NOT, EX-OR). Interligada a ela est o registrador Work que armazena temporariamente as operaes da ULA. Conectada a ULA est o barramento de dados de 8 bits no qual tem a funo de comunic-la com os mdulos de I/Os ( direita do diagrama), mdulos perifricos dispostos na parte inferior do diagrama, ( timer0, timer1, timer2, comparador interno A/D, o mdulo CCP (Capture, Compare e PWM), porta serial (USART) e a memria no voltil (EEPROM) que armazena dados mesmo na falta de energia. Esse barramento de dados tambm est conectado memria RAM onde so armazenados todas as variveis e registradores utilizados no programa. Ligando a memria FLASH ao barramento de dados est o Program Counter que armazena os endereos dos cdigos das instrues medida que so buscados na memria.(TOCCI, 2007)

A ilustrao abaixo descreve a pinagem do PIC 16F877A.

Figura 13: Pinagem PIC 16F877A

Fonte:

27

A tabela a seguir mostra a identificao dos pinos conforme o datasheet.

Tabela 2: Identificao dos pinos PIC 16F877A

IDENTIFICAO DOS PINOS 16F877A PINO FUNO DESCRIO

17 RA0 I/O DIGITAL BIRIRECIONAL

AN0 ENTRADA ANALGICA PARA OS COMPARADORES

18 RA1 I/O DIGITAL BIRIRECIONAL


1

RA2 I/O DIGITAL BIRIRECIONAL


VREF SADA DE TENSO DE REFERNCIA PROGRAMVEL

2



CMP1 SADA COMPARADOR 1

3


T0CKI ENTRADA EXTERNA DO CONTADOR TMR0

CMP2 SADA DO COMPARADOR 2

4

RA5 ENTRADA DIGITAL

MCLR MASTER CLEAR (RESET) EXTERNO

VPP ENTRADA DE TENSO DE PROGRAMAO (13V)

15


OSC2 SADA PARA O CRISTAL EXTERNO

CLKOUT SADA COM ONDA QUADRADA 1/4 F DO OSC1

RB7 I/O DIGITAL BIDIRECIONAL COM PULL-UP INTERNO

T1OSI ENTRADA PARA CRISTAL EXTERNO PARA TMR1

PGD DATA DE PROGRAMAO SERIAL (ICSP)

16


OSC1 ENTRADA PARA CRISTAL EXTERNO

CLKIN ENTRADA PARA OSCILADORES ESTERNOS

6 RB0 I/O DIGITAL BIRIRECIONAL COM PULL-UP INTERNO

INT ENTRADA PARA INTERRUPO EXTERNA

7


RX RECPO PAR COMUNICAO USART ASSNCRONA

DT VIA DE DADOS PARA COMUNICAO USART SNCRONA

8


TX TRANSMISSO PARA COMUNICAO USART ASSNCRONA

CK VIA DE CLOCK PARA COMUNICAO USART SNCRONA

9 RB3 I/O DIGITAL BIDIRECIONAL COM PULL-UP INTERNO

CCP1 I/O PARA CAPTURE, COMPARE E PWM


PGM ENTRADA DE PROGRAMAO DE BAIXA TENSO (5V)


12


T1OSO SADA PAR CRISTAL EXTERNO PARA TMR1

T1CKI ENTRADA EXTERNA DO CONTADOR TMR1

PGC CLOCK DE PROGRAMAO SERIAL (ICSP)

5 Vss GMD

14 Vdd ALIMENTAO POSITIVA

FONTE: livro Desbravando o PIC

28

2.3 SELEO DA FORMA DE ONDA DESEJADA

Atravs do um boto conectado ao pino 33 (RB0) do microcontrolador possvel selecionar a forma de onda desejada. Quando h um incremento nesse boto a forma de onda indicada no display alterada juntamente com os pinos 35(RB2) e 36 (RB3). Essas duas sadas controlam o multiplexador 4052 conforme a tabela verdade abaixo:

Tabela 3: Tabela verdade seleo de forma de ondas

ENTRADAS SADAS INH B A

0 0 0 NC 0 0 1 ONDA SENOIDAL 0 1 0 ONDA QUADRADA 0 1 1 ONDA TRIANGULAR

Fonte: Datasheet 4052

Os canais X1, X2 e X3 esto ligados respectivamente aos pinos 2 (onda senoidal), 9 (onda quadrada) e pino 3 (onda triangular) do gerador de ondas ICL 8038. Iniciando o programa, a forma de onda indicada no display a senoidal e ao passo que a cada incremento do pino 33 (RB0) o programa alterna de onda senoidal para onda quadrada, de onda quadrada para triangular e finalmente de onda triangular novamente para onda quadrada no display.

Figura 14: Seleo da Forma de Onda

Fonte: Simulador PROTEUS

29

2.4 SELEO DA ESCALA DE FREQUNCIAS

A frequncia da onda objeto de estudo obtida atravs da capacitncia recebida no pino 10 do gerador de ondas ICL 8038, a partir dai possvel o ajuste da frequncia via potencimetro conectado ao pino 8 do gerador. Ento para o ajuste da faixa de frequncia necessrio o chaveamento de alguns capacitores, dependo do range desejado, para tal procedimento foi utilizado um sistema semelhante seleo de forma de onda, onde ao incrementar o boto ligado ao pino 34 (RB1) do microcontrolador so setados os pinos 37(RB4) e 38 (RB5), seguindo a tabela verdade a seguir:

Tabela 4: Tabela verdade para seleo de escalas

ENTRADAS SADAS INH B A 0 0 0 NC 0 0 1 1Hz a 100Hz 0 1 0 100Hz a 500Hz 0 1 1 500Hz a 4KH

Fonte: Datasheet 4052

Ao iniciar o sistema o display LCD indica a escala de 1Hz a 100Hz e mantm o canal X1 do multiplexador 4052 referente ao capacitor de 0,1F ligado sada X, esta que est ligada ao pino 10 do gerador de onda ICL 8038. Ao pulsar o boto seleo de escala ligado ao RB1, indicao de escala passa para 100Hz a 500Hz e o canal X2 do multiplexador (160nF) ligado sada. Ao pulsar novamente o boto de seleo de escala o canal X3 do multiplexador (25nF) ligado sada e consequentemente a escala indicada no display passa para 500Hz a 4KHz, pulsando novamente o seletor de escala retornado posio inicial.

2.5 MEDIO DA FREQUNCIA

Para medir a frequncia gerada pelo ICL 8038 utilizando o microcontrolador necessrio utilizao de um recurso que faz parte dos mdulos perifricos do componente chamado Capture, Compare e PWM (CCP). O PIC 16F877A possui 2 mdulos CCP (CCP1 e CCP2), cada um com um registrador de 16 bits que podem ser utilizados para registro, comparao e controle PWM.

30

O mdulo CCP dividido em 3 componentes que sero mencionados separadamente:

MDULO CAPTURE: serve para contar o tempo entre dois eventos ocorridos em um dos pinos RC2/CCP1 ou RC1/CCP2 (dispostos no PORTC do PIC167877A). O intervalo de tempo entre esses dois eventos medido e registrado no timer1 por isso o nome Capture.(SOUZA; LAVINIA,2007). A partir desse recurso podemos criar u medidor de perodo (ou frequncia), determinando o tempo de intervalo entre as bordas de descida ou subida do sinal analisado.

MDULO COMPARE: possui sua maneira de operao semelhante ao Capture, entretanto ao invs de capturar o valor do timer1, esse valor ser comparado a um valor pr-estabelecido de 16 bits contido nos registradores CCPRxL e CCPRxH, sempre que houver uma igualdade entre esses registradores ser setado um flag CCPxIF. (SOUZA;LAVNIA,2007).

MDULO PWM: Pulse Width Modulation (Modulao por Largura de Pulso) consiste na gerao de um sinal de frequncia constante com a largura de pulso (duty cycle) varivel. (SOUZA;LAVNIA,2007).

Figura 15: Onda PWM

Fonte: Conectando o PIC (2007, P.174)

Para o projeto ser utilizado somente o mdulo Capture. Uma vez que o sinal gerado pelo gerador de funes ICL 8038 recebido por intermdio do pino 17

31

(RC2/CCP1), esse valor armazenado em um par de registradores CCPR1L e CCPR1H. H quatro modos de capturas disponveis:

captura da borda de subida do sinal; captura da borda de descida do sinal; captura da quarta borda de subida do sinal; captura da 16 borda de subida do sinal.(PEREIRA, 2002).

Configurando o pino 17 (RC2/CCP1) como entrada e ajustado para o modo Compare, necessrio ainda uma frmula para impresso da frequncia.

2.6 INDICAO DA FREQUNCIA

A indicao da frequncia, o formato da onda estudada e a escala so feita por intermdio de um display de LCD (Liquid Cristal Display). Os displays de LCD compem basicamente os 3 principais tipos usados para indicao de valores, posio, grficos entre outros ilustrado na figura abaixo:

Figura 16 Dislay Cristal Lquido (lcd) Fonte: datasheet LM 041L

O primeiro e mais primitivo mtodo de indicao de variveis so os displays de sete seguimentos, o qual composto por um conjunto de 8 leds e um ponto decimal, quando polarizados (anodo ou catodo) eles emitem luz. Essa tcnica possui baixo custo e fcil aplicao, porm possui um consumo de energia relativamente alto, sendo usado exclusivamente para indicao numrica.

32

Os displays de vdeo comum necessitam de uma interface complexa e possuem alto custo, no sendo recomendado para pequenas aplicaes. Enfim, os displays de LCD existem nos mais diferenciados tamanhos, podendo at ser programados para mostrar imagens grficas complexas. Os displays de LCD possuem dois tipos de interface de comunicao: a primeira paralela, com portas de entrada de 4 ou 8 vias possibilitando assim maior rapidez na transmisso dos dados, porm com custo mais elevado. E a segunda, comunicao serial, que transmitida atravs de pacotes de dados em um nico condutor, possui custo menor e a velocidade de transmisso reduzida comparada primeira. O display de LCD j possui um drive de controle interno permitindo assim atravs da porta paralela, a escrita direta dos caracteres em cdigo ASCll. (SOUZA,LAVNIA,2007).

O compilador PICC possui uma biblioteca de interface do microcontrolador PIC com o display de LCD, essas bibliotecas esto localizadas na pasta drivers. Com essa facilidade no necessrio escrever toda a programao de escrita no display, basta apenas inclu-la no programa utilizando a diretiva # include. Para o projeto foi utilizado o display de LCD LM041L da Hitachi que possui 16 colunas e 4 linhas, sua ligao e feita atravs dos pinos descritos abaixo, ilustrando o esquema de ligao com o microcontrolador:

Tabela 5: Identificao dos pino LM 041L

PINAGEM N PINO SIMBOLOGIA NVEL FUNO

1 VSS --- 0V ALIMENTAO 2 VDD --- +5V

3 VO --- ---

4 RS H/L L:ENTRADA DE CODIGO DE

INSTRUO H: ENTRADA DE DADOS

5 R/W H/L H: LEITURA DE DADOS L: ESCRITA DE DADOS 6 E H,H- L HABILITA SINAL 7 DB0 H/L

BARRAMENTO DE DADOS

8 DB1 H/L 9 DB2 H/L 10 DB3 H/L 11 DB4 H/L 12 DB5 H/L 13 DB6 H/L 14 DB7 H/L

FONTE: datasheet LM041L

33

2.7 PROGRAMAO DO MICROCONTROLADOR

Para que o projeto de um gerador de sinais tenha sucesso, necessrio que todas as lgicas envolvidas no sistema sejam executadas conforme o planejado, para isso o microcontrolador que o crebro do projeto deve atuar precisamente efetuando a leitura nos pinos que foram configurados como entrada, alocados nos pinos RB0 e RB1, e a entrada CCPI responsvel pela leitura da frequncia gerada pelo ICL8038, assim baseada na programao ir atuar nas sadas alocadas nos pinos de RB2 a RB5 e tambm os pinos de dados para indicao no LCD alocados no PORTD. Para tal programao foi utilizada a linguagem C, que foi criada em 1972 por Dennis Ritchie da Bell Laboratries , embora a linguagem C seja considerada de alto nvel, na prtica uma linguagem intermediria entre a linguagem Assembly e as linguagem de alto nvel como Java, Pascal etc..(PEREIRA, 2007 P.16) Devido suas caractersticas de possuir um programao estruturada, portabilidade entre as mquinas e linguagem compilada, esta utilizada na maioria dos programas envolvendo microcontroladores.

2.8 COMPILADOR

Para execuo da programao foi utilizado o compilador PCWH da CCS (MICROCHIP). Que consiste em um ambiente de desenvolvimento integrado com compatibilidade com o Windows e suporta toda a linha de microcontroladores PICs. Possui padronizao atendendo as normas ANSI e ISO, tem uma gama de bibliotecas de linguagem C e grande portabilidade permitindo a adaptao do programa escrito nessa plataforma para outros dispositivos. (PEREIRA,2007 P.33). A sequncia da programao foi executada partir de 3 pontos:

Seleo da forma de onda desejada: Seleo da escala desejada Medio da frequncia

Devido dificuldade em virtude o uso da CPU foram simulados separadamente a gerao das ondas e o configurador da escala, forma de onda e indicao. A conexo dos dois sistemas se deu atravs dos multiplexadores 4052 que tem a funo de receber o sinal do microcontrolador a alternar suas entradas conforme a figura abaixo representando o chaveamento com leds:

34

Figura 17- Simulao da Seleo e Indicao de Frequncia

Fonte: Simulador PROTEUS

Cada uma dessas etapas foi feita a partir de um programa principal main() onde concentram as variveis de uso global (uso em todo programa) e as rotinas executadas em todo o processo. No programa principal feito a leitura e tratamento da frequncia e tambm feita a leitura dos botes referente forma de onda e escala. A indicao via display LCD foi feita atravs de um subprograma chamado atualiza_lcd(). Compilando o programa (traduzindo a linguagem do programa em uma codificao usual de mquina) possvel detectar erros no programa oriundos de digitao ou sintaxe na linguagem garantindo assim que sero executadas risca as instrues do programa. Abaixo esta o fluxograma de programao do projeto:

35

Figura 18: Fluxograma de Programao

Fluxograma do projeto

2.9 SIMULADOR DO HARDWARE

Todo o circuito eletrnico foi desenvolvido a partir de uma ferramenta de desenvolvimento chamada Proteus, trata-se de um software de montagem e simulao em tempo real de circuitos eletrnicos envolvendo uma gama de componentes que vo desde microcontroladores at instrumentos para anlise de circuitos como osciloscpios e geradores de funo. Atravs desse software possvel efetuar ensaios de qualquer tipo de circuito sem comprometer componentes e instalaes. O Proteus possui uma biblioteca que contem componentes de vrios fabricantes no mundo, bem como suas informaes estruturais. A partir dai possvel desenhar e imprimir os circuitos aplicando uma de suas ferramentas,

36

tornado o processo de engenharia eletrnica mais efetivo como est ilustrado abaixo:

Figura 19 - Simulao da Gerao e Indicao da Frequncia

Fonte: Autoria Prpria (Simulador PROTEUS)

37

. Essa ferramenta teve um papel importante no projeto permitindo a aproximao dos resultados obtidos aos resultados esperados, facilitando inclusive na parte referente programao do microcontrolador que foi desenvolvida em outra ferramenta ( PCWH) e foi compilada sem problemas pelo software.

Outra ferramenta importante na construo de qualquer projeto eletrnico utilizando software o Ares, que em conjunto com o Proteus que possibilita ao projetista a visualizao da placa eletrnica atravs do recurso de importao dos dados diretamente do Proteus, com isso possvel otimizao do projeto diminuindo a perda de materiais e tempo, tendo em vista que o programa possui uma biblioteca com todas as dimenses dos componente de uma variedade de fabricante trazendo a simulao mais prxima possvel do real, abaixo est o desenho da placa do projeto com as trilhas j desenhadas prontas para ser impressa e corroda.

Figura 20- Desenho da Placa eletrnica

Fonte: Autoria Prpria (Simulador ARES)

38

Tambm possvel atravs de outro recurso do Ares a visualizao em 3D da placa j com os componentes eletrnicos dando uma possibilidade de previso de recursos ainda maior como mostra a ilustrao abaixo:

Figura 21- Ilustrao 3D da Placa eletrnica

Fonte: Autoria Prpria (Simulador ISIS PROTEUS)

39

3 CONCLUSO Quando o aluno se depara com a obrigao de elaborar um projeto para a

concluso do curso, existem dois caminhos a seguir, um pra quem tem o objetivo de receber o diploma e o outro pra quem quer aumentar o conhecimento em um determinado assunto que foi visto no processo acadmico. Elaborar o projeto eletrnico primeiramente buscando componentes que atendem os requisitos necessrios para o projeto com o auxlio dos datasheets fornecidos pelos fabricantes, efetuar os clculos do projeto possibilitando encontrar uma varivel prxima da real foi o que viabilizou grande parte do desenvolvimento do projeto. Uma vez montado o projeto no simulador foi possvel visualizao prtica dos componentes e seu comportamento, com isso foi efetuado as correes para que os requisitos apresentados na proposta de projetos fossem atingidos. Aps todos os parmetros do projeto atendidos e comprovados via simulao, foi montada a placa com o circuito eletrnico do projeto, essa placa foi desenhada na ferramenta de simulao viabilizando a perfeita alocao dos componentes, melhorando o layout do projeto. Depois de finalizado, foram feitos os testes prticos que ocorreram nas dependncias do laboratrio de eletrnica da Universidade com auxlio dos instrumentos de bancada (multmetro, frequencmetro, osciloscpio).

3.1 DIFICULDADES ENCONTRADAS

Quando se busca uma soluo para um problema de eletrnica ou inicia-se um projeto de eletrnica, consequentemente sero usados componentes eletrnicos que so importados em sua maioria. No caso do Gerador de Sinais Microcontrolado foi utilizado Microcontrolador PIC 16F877A, gerador de sinais ICL 8038, amplificador operacional entre outros. Todos esses componentes possuem suas especificaes tcnicas em ingls dificultando a compreenso para a montagem do projeto. Outra dificuldade encontrada no decorrer do projeto foi falta de conhecimento no software utilizado na montagem e simulao do circuito, pois uma ferramenta que possui uma gama de recursos, mas o acabou sendo utilizados de forma intuitiva

40

acrescentando tempo ao cronograma do projeto. Porm a maior dificuldade acabou sendo a programao do microcontrolador, pois a linguagem C em si no acabou sendo problemas e foi desenvolvida de forma regular com os conhecimentos bsicos adquiridos na disciplina de Linguagem de programao, porm para desenvolver um programa dedicado para o PIC foi necessrio alm do uso das literaturas mencionadas na referncia um curso bsico onde foi possvel a manipulao das variveis e recursos utilizados no projeto.

Diante das dificuldades encontradas no desenvolvimento desse trabalho, fica evidente que o conhecimento que foi ganho diante de cada problema encontrado e solucionado valoriza mais a inteno buscada e mencionada no incio do trabalho que foi a busca de conhecimento.

41

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

BOYLESTAD, Robert L. Introduo a Analises de Circuitos. 10. Ed. So Paulo: Pearson, 2004.

Datasheet ICL 8038. Intersil Corporation disponvel em: < http://www.intersil.com/content/dam/Intersil/documents/fn28/fn2864.pdf> acesso em 02 fev. 2012.

Datasheet PIC 16F877A. Microchip Technology Inc. disponvel em: < http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39582b.pdf> acesso em: 03 fev. 2012.

Datasheet LM 741 National Semiconductor disponvel em: < http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm741.pdf> acesso em 10 mar 2012.

Datasheet UTC 4052 Unisonic Technologies disponvel em: < http://www.unisonic.com.tw/datasheet/4052.pdf> acesso em 05 mai. 2012.

Datasheet LM 041L Hitachi Semiconductor disponvel em: < http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/169532/HITACHI/LM041L.html> acesso em 14 jun., 2012.

LATHI, B. P. Sinais e Sistemas Lineares. 2. ed. Porto Alegre, RS: Bookman, 2007.

LIMA, J. A. de. Modulador e Demodulador por Largura de Pulsos PWM. Faculdade de Engenharia Eltrica Guaratinguet UNESP , disponvel em< http://www.feg.unesp.br/~lvdi/data/PWM.pdf> acesso em 03 mar 2012.

MALVINO, Albert P. Eletrnica 4 Ed. So Paulo: Makron Books, 1995.

PEREIRA, Fbio. Microcontroladores Pic Tcnicas Avanadas. 7 Ed. So Paulo: rica,2002.

PEREIRA, Fbio. PIC Programao em C. 7 Ed. So Paulo: rica,2007

SOUZA, David J. de. Desbravando o PIC. 12. Ed. So Paulo: rica, 2010.

42

SOUZA, David J.;LAVINIA, Nicolas C. Conectando o PIC. 3 Ed. So Paulo: rica, 2007.

TOCCI, R. J.; WIDMER, N. S.; MOSS, G. L. Sistemas Digitais: Princpios e Aplicaes. 10. ed. So Paulo: Prentice Hall, 2007.

43

APNDICES

APNDICE A Programa do Projeto

//GERADOR DE FUNES

#include

#use delay (clock=20000000)

#fuses HS, NOWDT, PUT, BROWNOUT, NOLVP

#define LCD_DB4 PIN_D4




#define LCD_E PIN_E1

#define LCD_RS PIN_E0

#include "lcd.c"

int8 k=1, ct_p = 0;

int16 freq, per, temp;

float freq_k;

int1 flag=0;

int16 x=0,y=0;

#int_ccp1 //Interrupo Captura do CCP1

44

void capture_isr()

{

++ct_p;

per = get_timer1();

set_timer1(0);

}

atualiza_lcd()

{

switch (x)//seleo da forma de onda

{

case 0:lcd_putc("\f ONDA SENOIDAL");

output_high(pin_b3);

output_low(pin_b4);

break;

case 1:lcd_putc("\f ONDA QUADRADA");


output_low(pin_b3);

break;

case 2:lcd_putc("\f ONDA TRIANGULAR");



break;

45

default:

x=0;

output_low(pin_c0);

output_low(pin_c1);

}

switch (y) // seleo da escala desejada

{

break;

case 0:lcd_putc(" \n 1Hz a 100Hz");


output_low(pin_b4);

break;

case 1:lcd_putc(" \n 100Hz a 500Hz");


output_low(pin_b4);

break;

case 2:lcd_putc("\n 500Hz a 4KHz");


output_low(pin_b4);

break;

default:

y=0;


46

output_low(pin_b4);

}

if (freq 1000) // Divide fre. por 1000 e imprime prefixo k

{

lcd_gotoxy(15,0);

printf(lcd_putc," Freq: %.2f kHz ",freq_k); //Impresso no LCD

}

}

void main()

{

lcd_init(); //Inicializa LCD

setup_timer_1(T1_INTERNAL | T1_DIV_BY_8); // Configura TMR1

setup_ccp1(CCP_CAPTURE_RE);

enable_interrupts(int_ccp1); //Habilita interrupo externa em RB0

enable_interrupts(global); //Habilitao geral de interrupo

while (TRUE)

{

47

if (ct_p)

{

freq = 625000.0/per;

freq_k = 625.0/per;

ct_p = 0;

}

if(k==1) //imprime a frequncia

{

atualiza_lcd();

}

//leitura dos pinos de entrada para seleo da forma de onda e escala

if(!input(pin_b0)&& (flag==0))

{

x++;

flag=1;

}

if(!input(pin_b1)&& (flag==0))

{

y++;

flag=1;

}

else if(input(pin_b0)&& input(pin_b1))

48

{

flag=0;

}

if (temp>0)

{

atualiza_lcd();

delay_ms(10);

}

}

49

APNDICE B LISTA DOS COMPONENTES

LISTA DOS COMPONENTES QDT. ESPECIFICAO FABRICANTE

1 ICL 8038 (GERADOR DE FUNES) INTERSIL 1 PIC 16F877A (MICROCONTROLADOR) MICROCHIP 2 4052 (MULTIPLEXADOR\DEMULTIPLEXADOR) UNISONIC 1 LM 041L (DISPLAY LCD 16x4) HITACHI 1 FONTE 24V 5 1 CAPACITOR ELETROLTICO 2uF 1 CAPACITOR ELETROLTICO 0,5uF 1 CAPACITOR ELETROLTICO 40nF 1 CAPACITOR ELETROLTICO 1nF 5 RESISTORES 1K 1 RESISTORES 3,3K 1 RESISTOR 82K 1 RESISTOR 100K 1 RESISTOR 20K 1 RESISTOR 140 1 POTENCIMETRO 1K 1 POTENCIMETRO 5K 1 POTENCIMETRO 10K 2 CHAVES BOTO 1 CHAVE TIPO ALAVANCA 3 CONECTOR JACK J10 1 LED VERDE PLACA DE COBRE

tcc_gerador de sinal

Documents